Júpiteres quentes são alguns dos planetas mais extremos da galáxia. Esses mundos escaldantes são tão massivos quanto Júpiter, e eles giram muito perto de sua estrela, girando em poucos dias, em comparação com a órbita de 4.000 dias do nosso próprio gigante gasoso ao redor do sol.

Cientistas suspeitam, no entanto, que Júpiteres quentes nem sempre foram tão quentes e, de fato, podem ter se formado como “Júpiteres frios”, em ambientes mais frígidos e distantes. Mas como eles evoluíram para se tornarem os gigantes gasosos que abraçam estrelas que os astrônomos observam hoje é uma grande incógnita.

Agora, astrônomos do MIT, Penn State University e outros lugares descobriram um “progenitor” de Júpiter quente — um tipo de planeta juvenil que está no meio de se tornar um Júpiter quente. E sua órbita está fornecendo algumas respostas sobre como os Júpiteres quentes evoluem.

O novo planeta, que os astrônomos rotularam de TIC 241249530 b, orbita uma estrela que está a cerca de 1.100 anos-luz da Terra. O planeta circula sua estrela em uma órbita altamente "excêntrica", o que significa que ele chega extremamente perto da estrela antes de se lançar para longe, então dobrando de volta, em um circuito estreito e elíptico. Se o planeta fosse parte do nosso sistema solar, ele chegaria 10 vezes mais perto do sol do que Mercúrio, antes de se lançar para fora, passando pela Terra, e então retornando. Pelas estimativas dos cientistas, a órbita estendida do planeta tem a maior excentricidade de qualquer planeta detectado até o momento.

A órbita do novo planeta também é única em sua orientação “retrógrada”. Diferentemente da Terra e de outros planetas no sistema solar, que orbitam na mesma direção que o sol gira, o novo planeta viaja em uma direção que é contrária à rotação de sua estrela.

A equipe realizou simulações da dinâmica orbital e descobriu que a órbita altamente excêntrica e retrógrada do planeta são sinais de que ele provavelmente está evoluindo para um Júpiter quente, por meio de "migração de alta excentricidade" — um processo pelo qual a órbita de um planeta oscila e encolhe progressivamente à medida que ele interage com outra estrela ou planeta em uma órbita muito mais ampla.

No caso de TIC 241249530 b, os pesquisadores determinaram que o planeta orbita em torno de uma estrela primária que orbita em torno de uma estrela secundária, como parte de um sistema binário estelar. As interações entre as duas órbitas — do planeta e sua estrela — fizeram com que o planeta gradualmente migrasse para mais perto de sua estrela ao longo do tempo.

A órbita do planeta é atualmente elíptica em forma, e o planeta leva cerca de 167 dias para completar uma volta em torno de sua estrela. Os pesquisadores preveem que em 1 bilhão de anos, o planeta migrará para uma órbita circular muito mais apertada, quando então circulará sua estrela a cada poucos dias. Nesse ponto, o planeta terá evoluído completamente para um Júpiter quente.

“Este novo planeta apoia a teoria de que a migração de alta excentricidade deve ser responsável por alguma fração dos Júpiteres quentes”, diz Sarah Millholland, professora assistente de física no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. “Achamos que quando este planeta se formou, ele teria sido um mundo frígido. E por causa da dinâmica orbital dramática, ele se tornará um Júpiter quente em cerca de um bilhão de anos, com temperaturas de vários milhares de kelvin. Então é uma grande mudança de onde começou.”

Millholland e seus colegas publicaram suas descobertas hoje no periódico Nature. Seus coautores são o estudante de graduação do MIT Haedam Im, o autor principal Arvind Gupta da Penn State University e NSF NOIRLab, e colaboradores de várias outras universidades, instituições e observatórios.

O novo planeta foi detectado pela primeira vez em dados coletados pelo Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) da NASA, uma missão liderada pelo MIT que monitora o brilho de estrelas próximas em busca de "trânsitos", ou breves quedas na luz estelar que podem sinalizar a presença de um planeta passando na frente e bloqueando temporariamente a luz de uma estrela.

Em 12 de janeiro de 2020, o TESS captou um possível trânsito da estrela TIC 241249530. Gupta e seus colegas da Penn State determinaram que o trânsito era consistente com um planeta do tamanho de Júpiter cruzando na frente da estrela. Eles então adquiriram medições de outros observatórios da velocidade radial da estrela, que estima a oscilação de uma estrela, ou o grau em que ela se move para frente e para trás, em resposta a outros objetos próximos que podem puxar gravitacionalmente a estrela.

Essas medições confirmaram que um planeta do tamanho de Júpiter estava orbitando a estrela e que sua órbita era altamente excêntrica, trazendo o planeta extremamente perto da estrela antes de lançá-lo para longe.

Antes dessa detecção, os astrônomos sabiam de apenas um outro planeta, HD 80606 b, que era considerado um Júpiter quente primitivo. Esse planeta, descoberto em 2001, detinha o recorde de ter a maior excentricidade, até agora.

“Este novo planeta experimenta mudanças realmente dramáticas na luz das estrelas ao longo de sua órbita”, diz Millholland. “Deve haver estações realmente radicais e uma atmosfera absolutamente chamuscada toda vez que ele passa perto da estrela.”

Como um planeta poderia ter caído em uma órbita tão extrema? E como sua excentricidade poderia evoluir ao longo do tempo? Para obter respostas, Im e Millholland executaram simulações de dinâmicas orbitais planetárias para modelar como o planeta pode ter evoluído ao longo de sua história e como ele pode continuar ao longo de centenas de milhões de anos.

A equipe modelou as interações gravitacionais entre o planeta, sua estrela e a segunda estrela próxima. Gupta e seus colegas observaram que as duas estrelas orbitam uma à outra em um sistema binário, enquanto o planeta orbita simultaneamente a estrela mais próxima. A configuração das duas órbitas é um pouco como uma artista de circo girando um bambolê em volta da cintura, enquanto gira um segundo bambolê em volta do pulso.

Millholland e Im executaram múltiplas simulações, cada uma com um conjunto diferente de condições iniciais, para ver qual condição, quando executada adiante por vários bilhões de anos, produzia a configuração de órbitas planetárias e estelares que a equipe de Gupta observou nos dias atuais. Eles então executaram a melhor correspondência ainda mais para o futuro para prever como o sistema evoluirá ao longo dos próximos bilhões de anos.

Essas simulações revelaram que o novo planeta provavelmente está no meio da evolução para um Júpiter quente: vários bilhões de anos atrás, o planeta se formou como um Júpiter frio, longe de sua estrela, em uma região fria o suficiente para condensar e tomar forma. Recém-formado, o planeta provavelmente orbitou a estrela em um caminho circular. Essa órbita convencional, no entanto, gradualmente se estendeu e se tornou excêntrica, à medida que experimentou forças gravitacionais da órbita desalinhada da estrela com sua segunda estrela binária.

“É um processo bem extremo, pois as mudanças na órbita do planeta são enormes”, diz Millholland. “É uma grande dança de órbitas que acontece ao longo de bilhões de anos, e o planeta está apenas seguindo o passeio.”

Em mais um bilhão de anos, as simulações mostram que a órbita do planeta se estabilizará em um caminho circular próximo ao redor de sua estrela.

“Então, o planeta se tornará completamente um Júpiter quente”, diz Millholland.

As observações da equipe, juntamente com suas simulações da evolução do planeta, apoiam a teoria de que Júpiteres quentes podem se formar por meio de migração de alta excentricidade, um processo pelo qual um planeta se move gradualmente para seu lugar por meio de mudanças extremas em sua órbita ao longo do tempo.

“Está claro não apenas com isso, mas também com outros estudos estatísticos, que a migração de alta excentricidade deve ser responsável por alguma fração dos Júpiteres quentes”, observa Millholland. “Este sistema destaca o quão incrivelmente diversos os exoplanetas podem ser. Eles são outros mundos misteriosos que podem ter órbitas selvagens que contam uma história de como eles chegaram lá e para onde estão indo. Para este planeta, ele ainda não terminou sua jornada.”

“É realmente difícil pegar esses progenitores quentes de Júpiter 'em ação' enquanto eles passam por seus episódios superexcêntricos, então é muito emocionante encontrar um sistema que passa por esse processo”, diz Smadar Naoz, professor de física e astronomia na Universidade da Califórnia em Los Angeles, que não estava envolvido no estudo. “Acredito que essa descoberta abre a porta para uma compreensão mais profunda da configuração de nascimento do sistema exoplanetário.”